Circuitos rectificadores
- 1. Circuitos rectificadores Los rectificadores son circuitos realizados con diodos, capaces de cambiar la forma de onda de la señal que reciben en su entrada. Se utilizan sobre todo en las fuentes de alimentación de los equipos electrónicos. Hay que tener en cuenta que cualquier equipo electrónico funciona internamente con corriente continua, y aunque nosotros los conectamos a la red eléctrica (230 V de corriente alterna a 50 Hz), la fuente de alimentación se encarga de convertir esa corriente alterna en corriente continua. El elemento fundamental de esa fuente de alimentación será precisamente el circuito rectificador. Diodo. Es un componente electrónico formado por una unión PN, y tiene la funcionalidad de que la corriente eléctrica circula por él en un solo sentido. Podemos establecer una clasificación de los rectificadores en función del número de diodos que utilizan. Así, tendremos: • Rectificador de media onda, formado por un único diodo. • Rectificador de onda completa. Dentro de este tipo podemos distinguir: – Rectificador con transformador de toma intermedia, formado por dos diodos. – Rectificador con puente, formado por cuatro diodos. A continuación analizaremos el funcionamiento de cada uno de ellos. Rectificador de media onda El rectificador de media onda es un circuito que elimina la mitad de la señal que recibe en la entrada, en función de cómo esté polarizado el diodo: si la polarización es directa, eliminará la parte negativa de la señal, y si la polarización es inversa, eliminará la parte positiva. Estudio del funcionamiento de un rectificador de media onda El esquema de la Figura 1 corresponde a un circuito rectificador de la fuente de alimentación de un amplificador de sonido para aparatos lectores de MP3 portátiles. Analiza el funcionamiento del circuito. Fig. 1. Solución: A efectos prácticos, todo circuito electrónico (como el amplificador de este caso) se puede sustituir por una resistencia de carga (RL) cuyo valor será el de la resistencia de entrada del circuito que queremos sustituir. De esta forma, el esquema eléctrico que vamos a utilizar para comprobar el funcionamiento del rectificador será el siguiente: Fig. 2.
- 2. Los elementos que necesitamos para comprobar el funcionamiento de este circuito son: • Transformador de 220 V/12 V. • D1: Diodo 1N4001. • R1: Resistor de 1 kΩ, 1/4 W. • Osciloscopio. • Placa BOARD. Los pasos que tenemos que seguir son los siguientes: 1. Montamos el diodo y el resistor sobre la placa BOARD. 2. Conectamos la sonda del osciloscopio a los extremos de la resistencia, de tal forma que el positivo quede en la patilla que comparte con el diodo, y el negativo en la patilla de abajo. 3. Conectamos el secundario del transformador (la parte de 12 V) al circuito: un cable al diodo y el otro al resistor. 4. Encendemos el osciloscopio para visualizar la señal y conectamos el primario del transformador a la red eléctrica. Ajustamos el osciloscopio hasta que veamos la señal correctamente. El montaje es el siguiente: Fig. 3. Comprobamos la medida de la señal: Para poder visualizar esta señal, el osciloscopio está configurado de la siguiente manera: • Canal 1 seleccionado. • Escala de amplitud: 5 V por división. • Base de tiempos: 10 ms por división. Fig. 4.
- 3. 1 Amplitud: hay que tener en cuenta que el valor del transformador se expresa en valores eficaces, mientras que el osciloscopio mide valores máximos. Hay que realizar la conversión entre estos valores, de modo que la amplitud que debe tener la señal en la pantalla es de 12 √2 = 17 V. En la señal podemos observar que tiene 3,2 divisiones. Al multiplicar por la escala (5 V/div) nos da como resultado 17 V. 2 Periodo: 2 divisiones multiplicadas por 10 ms/div: 20 ms; luego la frecuencia será 1/20 ms 5 50 Hz. Es importante destacar que el rectificador no modifica la amplitud de la señal que recibe a su entrada, solamente elimina los ciclos negativos. Esto se cumple para todas las señales que pongamos a su entrada, independientemente de la frecuencia que tengan. La única limitación al respecto la impondrá el funcionamiento del diodo, que estará elegido acorde con el circuito. Los parámetros más importantes que debemos tener en cuenta en los rectificadores de media onda son los siguientes (Tabla 1): Tabla 1. Parámetros fundamentales en rectificadores de media onda. Parámetro Fórmula Observaciones Valor medio Es la media aritmética de todos los valores instantáneos de la de la tensión señal comprendidos en un intervalo (en este caso la mitad del periodo). Valor eficaz Este valor de tensión lo podemos comprobar con un polímetro. de la tensión Valor medio Se obtienen aplicando la ley de Ohm a los valores de tensión. de la Dependen de la resistencia de carga del rectificador. intensidad Valor eficaz de la intensidad Valor de pico o valor máximo (Ap o Ao). Es la máxima amplitud que puede tomar la señal. Valor eficaz. Es el valor que tendría una corriente continua que produjera el mismo efecto que la corriente alterna. Se calcula dividiendo el valor máximo entre √2. Valor instantáneo. Es el valor que puede tomar la señal en cualquier instante de tiempo.
- 4. Cálculo de la tensión media en un rectificador de media onda Necesitamos calcular el valor medio de la tensión de salida en un circuito rectificador de media onda como el utilizado en el Caso práctico 1. Contamos con la lectura obtenida en el osciloscopio a la salida del mismo. ¿Cuál será el valor medio si consideramos la tensión que tiene el diodo por estar polarizado en directo (VF = 0,7 V)? Solución: Obtenemos el valor máximo de la señal a partir de la lectura del osciloscopio. De esta forma, multiplicando por la escala de amplitud, obtenemos que el valor de pico de la señal es de: 3,09 div x 100 V/div = 309 V Tenemos que aplicar la fórmula estudiada para el cálculo del valor medio de la señal, pero teniendo en cuenta la tensión que necesita el diodo para empezar a conducir (VF). Esta tensión se restará al valor máximo de la señal: Sustituyendo los valores, obtenemos: Fig. 5. Siempre que trabajemos con un diodo real polarizado en directo, la tensión que necesite para empezar a conducir se restará del valor de tensión que tenga a su entrada. Este valor de tensión se obtiene de la hoja del fabricante y es el parámetro dado como VF. Rectificador de onda completa El circuito rectificador de onda completa es el tipo más empleado en las fuentes de alimentación de los equipos, debido a que con él se obtiene una corriente continua muy parecida a la que proporcionan las pilas o las baterías. A. Rectificador de onda completa con transformador de toma intermedia Fuente de alimentación con transformador de toma intermedia y rectificador de onda completa Al buscar una avería en la fuente de alimentación de un lector de DVD para la televisión, comprobamos que lleva un rectificador que sigue el esquema de la Figura 6: Fig. 6.
- 5. Como necesitamos saber si funciona correctamente, vamos a montar en el taller un circuito igual al que tenemos en el equipo para comprobar si las señales que obtenemos a la salida son iguales en ambos casos. A efectos prácticos, como hemos visto en el caso práctico anterior, la placa la podemos sustituir por una resistencia. Así, el esquema del circuito que queremos simular será: Fig. 7. Solución: Los elementos que necesitamos para el montaje del circuito son los siguientes: • Transformador de 220 V/12 1 12 V. • D1 y D2: Diodo 1N4001. • R: Resistor de 1 kΩ, 1/4 W. • Osciloscopio. • Placa BOARD. Los pasos que tenemos que seguir son los siguientes: 1. Montamos los diodos D1 y D2 sobre la placa BOARD, en la posición indicada en el esquema. Montamos el resistor. Hay que unir eléctricamente las dos partes negativas de los diodos. 2. Conectamos la sonda del canal 1 del osciloscopio en los extremos de la resistencia, de tal forma que el positivo quede en la patilla que comparte con el diodo, y el negativo en la patilla de abajo. 3. Conectamos la sonda del canal 2 del osciloscopio a la salida del transformador: masa en el terminal de 0 V y la punta activa en uno de los extremos de 12 V. Queremos observar la señal que nos da el transformador y la que obtenemos a la salida del rectificador. 4. Conectamos el secundario del transformador (la parte de 12 V) al circuito: un cable al diodo D1, el otro cable de 12 V al diodo D2 y el cable de 0 V al resistor. 5. Encendemos el osciloscopio para visualizar la señal y conectamos el primario del transformador a la red eléctrica. Ajustamos el osciloscopio hasta que veamos la señal correctamente. Además del montaje físico, podemos hacer una simulación en el ordenador. En la figura mostrada a continuación (Fig. 8) puede observarse el esquema que utilizaríamos en un simulador: Fig. 8.
- 6. Una vez realizado y puesto en marcha el montaje, obtenemos las siguientes señales: Fig. 9. 1 Cuando conduce el diodo D1 en el primer semiciclo, al estar polarizado directamente, fluye una corriente I por la resistencia de carga. El diodo D2 está polarizado inversamente y no conduce ninguna corriente. 2 Cuando conduce el diodo D2 en el segundo semiciclo, al estar polarizado directamente, fluye una corriente I por la carga y el diodo D1 está polarizado inversamente, por lo que no conduce ninguna corriente. Como la corriente circula en el mismo sentido que en el caso del diodo D1, esta siempre es positiva en la resistencia.
- 7. 3 Señal de salida rectificada en doble onda. El osciloscopio está conectado en el canal 1, con la base de tiempos en la escala de 10 ms por división y la escala de amplitud de 5 V por división. Si medimos la señal, la amplitud es la misma que la de salida del transformador. El rectiicador no la cambia, lo único que hace es invertir la parte negativa y convertirla en positiva. Tampoco existe variación en la frecuencia de la señal. 4 El osciloscopio está conectado en el canal 2, con la base de tiempos en la escala de 10 ms por división y la escala de amplitud de 5 V por división. Por tanto, la señal que proporciona el transformador, según vemos en la pantalla, será: Amplitud: 3,4 div x 5 V/div = 17 V Periodo: 2 div x 10 ms/div = 20 ms (frecuencia 5 50 Hz) Recordemos que los 12 V del transformador son valores efi caces y por tanto los tendremos que convertir a valores máximos para ver si la señal del osciloscopio es correcta: Vp = 12 x √2 = 17 V En este tipo de rectificadores, al igual que hemos podido ver lo que ocurre con los de media onda, debemos considerar una serie de parámetros importantes a la hora de ponernos a trabajar con ellos. Los más destacables son los que vemos a continuación en la Tabla 2: Tabla 2. Parámetros fundamentales en rectificadores de onda completa. Parámetro Fórmula Observaciones Valor medio Es la media aritmética de todos los valores instantáneos de la tensión de la señal comprendidos en un intervalo (en este caso la mitad del periodo). Si se tiene en cuenta la tensión de la polarización directa del diodo, tenemos: Valor eficaz Podemos comprobar este valor de tensión con un de la tensión polímetro. Tensión máxima Se obtiene de la hoja de características del diodo. Debe inversa del diodo ser igual, como mínimo, al doble de la tensión máxima que proporciona el transformador. Valor medio de la intensidad Valor eficaz de la Se obtienen aplicando la ley de Ohm a los valores de intensidad tensión. Dependen de la resistencia de carga del rectificador. Intensidad media en la resistencia de carga de un rectificador de onda completa Utilizando el circuito rectificador del Caso práctico 3, queremos ahora medir la intensidad que circula por la resistencia de carga y calcular el valor medio de la tensión y de la intensidad por la misma, teniendo en cuenta la caída de tensión en los diodos. Solución: Vamos a utilizar la simulación por ordenador para comprobar la intensidad que está circulando por el resistor. Fig. 10.
- 8. El valor medio de la tensión lo obtenemos a partir de la siguiente fórmula: Y aplicando la ley de Ohm obtendremos la intensidad media por la resistencia: B. Rectificador de onda completa con puente de diodos Este rectificador es uno de los más usados en las fuentes de alimentación, tanto si está formado por cuatro diodos individuales como en su versión integrada. Estos últimos son más fáciles de manejar, puesto que disponen de cuatro patillas, dos para su conexión al transformador, y otras dos para la conexión hacia la carga. La Figura 11 muestra cómo se puede montar un puente de diodos y la señal que se obtiene a su salida, así como el esquema eléctrico del puente. La forma de la onda es igual a la que se obtiene en el rectificador con transformador de toma intermedia: Fig. 11. Montaje de un puente de diodos. Los puentes de diodos integrados suelen ser como los que aparecen a continuación:
- 9. Rectificador de onda completa con puente integrado de diodos Vamos a analizar el funcionamiento del rectificador de una fuente de alimentación de un ordenador. Sabemos que el esquema eléctrico es el siguiente (Fig. 12): Fig. 12. Necesitamos comprobar el valor de la tensión y la corriente de pico, así como calcular la tensión y la intensidad media en la resistencia de carga que se ha colocado a la salida. Para ello vamos a realizar un montaje sobre una placa BOARD y vamos a realizar las medidas y los cálculos oportunos. Solución: Los elementos que necesitaremos son: Transformador de 220 V/9 V. Puente rectificador. R: Resistor de 65 Ω, 1/4 W. Osciloscopio. Placa BOARD. Los pasos que tenemos que seguir son los siguientes: 1. Montamos el puente de diodos sobre la placa BOARD, colocando adecuadamente las patillas, y montamos el resistor. 2. Conectamos la sonda del osciloscopio del canal 1 a los extremos de la resistencia. 3. (Opcional) Conectamos la sonda del canal 2 del osciloscopio a la salida del transformador: masa en el terminal de 0 V y punta activa en el terminal de 9 V, para observar la señal que nos da el transformador y la que obtenemos a la salida del rectificador. 4. Conectamos el secundario del transformador (la parte de 9 V) al circuito, en las patillas con los símbolos de corriente alterna del puente rectificador.
- 10. 5. Encendemos el osciloscopio para visualizar la señal y conectamos el primario del transformador a la red eléctrica. Ajustamos el osciloscopio hasta ver la señal correctamente. El circuito montado nos queda de la siguiente manera: Fig. 13. En el osciloscopio las escalas son las siguientes: para la amplitud, 5 V/div, y para la base de tiempos, 10 ms/div. Tomando la medida de la señal que vemos en la pantalla, tendremos un valor de pico de la señal de: Vp = 2,54 div x 5 V/div = 12,72 V y un periodo de: T = 2 div x 10 ms/div = 20 ms, que se corresponde con una frecuencia de 50 Hz. La intensidad de pico o máxima la podemos calcular a partir de este valor aplicando la ley de Ohm: Vamos a calcular la tensión media, teniendo en cuenta el valor de la tensión de polarización de los diodos. Como en este caso son dos los que conducen a la vez, y cada uno de ellos necesita 0,7 V para estar polarizado en directo, la fórmula es la siguiente: La intensidad media la calculamos aplicando nuevamente la ley de Ohm: Circuitos de filtrado con componentes pasivos Los filtros son circuitos realizados con componentes pasivos para trabajar con la frecuencia de la señal. Podemos distinguir varios tipos de filtros: • Filtros paso bajo. • Filtros paso alto. • Filtros paso banda. Filtros paso bajo Son los filtros que únicamente dejan pasar aquellas frecuencias que están por debajo de una determinada frecuencia. Para realizar este tipo de filtrado podemos utilizar bobinas, condensadores, o ambos al mismo tiempo. Los filtros paso bajo se suelen utilizar como complemento para un equipo de audio, para acentuar más los sonidos de frecuencias bajas; y también en aparatos como radios, televisores, etc.
- 11. Fuente de alimentación con filtro paso bajo A la salida del rectificador de una fuente de alimentación, colocamos un filtro paso bajo formado por un condensador en paralelo. El esquema del circuito es el siguiente (Fig. 15): Fig. 15. Donde RL representa la entrada del aparato de radio, tal como hemos visto en los casos prácticos anteriores. Analiza la señal que se obtiene a la salida, según la capacidad del condensador, para los valores C = 27 nF y C = 100 µF. Solución: La misión del condensador que se coloca en paralelo con la señal es la de aplanar la onda de salida del rectificador, es decir, obtener una señal continua lo más parecida posible a la que proporcionan las pilas o baterías. Para el estudio de este circuito partimos del montaje que hemos hecho para el Caso práctico 1, al que añadiremos el condensador en paralelo con la resistencia de carga. De esta forma obtenemos la siguiente onda de salida, para el condensador de 27 nF: Fig. 16. Si cambiamos el condensador por el de 100 µF, la salida que obtenemos es la siguiente: Fig. 17. Los condensadores que se utilizan como filtros en las fuentes de alimentación tienen que ser de elevada capacidad, con el fin de eliminar la ondulación de la señal continua; por eso generalmente son electrolíticos. Como hemos visto en el caso práctico anterior, se produce una tensión de rizado V0, debida a las cargas y descargas del condensador. Podemos establecer una relación entre la tensión de rizado y la capacidad del condensador a través de la siguiente fórmula:
- 12. Donde: • V0 tensión de rizado en voltios. • I intensidad de la corriente continua en amperios. • f frecuencia del rizado en hercios. • C capacidad del condensador en faradios. Interesa que la tensión de rizado sea lo más pequeña posible. El rizado es un efecto no deseado cuando se está intentando conseguir una tensión continua en una fuente de alimentación. Cuanto más pequeño sea este rizado, más se asemeja la tensión que proporciona la fuente a la que nos daría una pila o una batería, en las que no existe este efecto. Hay que vigilar especialmente la polaridad de los condensadores electrolíticos en el filtro de la fuente a la hora de conectarlos en el circuito: el positivo debe ir hacia la salida del diodo y el negativo a la patilla de debajo de la resistencia. Filtros paso alto Un filtro paso alto es un circuito, formado por resistencias y condensadores en serie, destinado a dejar pasar señales cuyas frecuencias sean mayores que un valor mínimo denominado frecuencia de corte del filtro. Su funcionamiento se basa en la variación de la impedancia del condensador con la frecuencia. Si la frecuencia de la señal es muy baja, el condensador no dejará pasar la corriente (se comporta como un circuito abierto), y si la frecuencia es muy alta, se comportará como un cortocircuito. Separación de señales en la etapa de filtrado de una caja acústica El filtro de una caja acústica lleva incorporado un filtro paso alto para dejar pasar los sonidos agudos. Comprueba el funcionamiento del filtro cuando a su entrada se reciben señales de diferente frecuencia. Solución: Vamos a realizar un montaje sobre una placa BOARD para simular el comportamiento del filtro de la caja de altavoces y visualizar en el osciloscopio las diferentes señales que obtenemos en la salida. El esquema para el montaje es el siguiente (Fig. 18): Fig. 18. A la entrada del circuito colocaremos un generador de señales e iremos introduciendo ondas senoidales de diferentes frecuencias para ver qué ocurre en la resistencia de salida del filtro (R1). Los elementos que necesitamos para comprobar el funcionamiento de este circuito son: • Generador de señales. • C1: Condensador de 100 nF. • R1: Resistor de 1 kΩ. • Osciloscopio. • Placa BOARD.
- 13. El montaje del circuito es el siguiente: Fig. 19. 1 Ajustamos el generador de señales para que nos dé una onda senoidal de frecuencia de 10 Hz y amplitud 10 Vp. La frecuencia y la forma de onda es lo que se ve en la pantalla digital del generador de funciones. 2 A la salida del filtro, como la señal de frecuencia es muy baja, vemos que la amplitud es prácticamente cero (el osciloscopio está regulado para 10 V/div). El condensador se comporta como un circuito abierto. Si ahora introducimos una señal de 10 kHz: Fig. 20. Los filtros se diseñan para que permitan el paso de las señales a partir de una determinada frecuencia. El parámetro fundamental de estos filtros es la frecuencia de corte. El producto de la resistencia por el condensador (R C) es la constante de tiempo (Ƭ). La inversa de la constante de tiempo recibe el nombre de frecuencia de corte del filtro, y se calcula a través de la siguiente fórmula: Donde fc es la frecuencia de corte en hercios R es la resistencia en ohmios C es la capacidad en faradios.
- 14. En el ejemplo del caso práctico anterior sería: Una posible aplicación de este tipo de filtro sería hacer que las altas frecuencias de una señal de audio fuesen a un altavoz para sonidos agudos, mientras que un filtro paso bajo haría lo propio con los graves. Otra posible utilización de un filtro paso alto es la de la eliminación de ruidos de baja frecuencia, ya que el filtro solo nos va a dejar pasar señales que estén por encima de su frecuencia de corte. Frecuencias de corte de un filtro: Son aquellas frecuencias que marcan el límite de las que pueden pasar a través del filtro. Puede ser una sola, si el filtro es de tipo paso bajo o paso alto, o dos, en el caso de que sea un filtro paso banda. Importante Cuando se trabaja con los filtros, existen unas gráficas que se denominan respuesta en frecuencia o función de transferencia del filtro. Son una representación de la amplitud de las señales que deja pasar el filtro en función de las frecuencias de las mismas. Nos da una idea del tipo de fi ltro que es. Filtros paso banda Los filtros paso banda son circuitos formados por resistencias, bobinas y condensadores, diseñados para dejar pasar a su salida un determinado grupo de señales cuyas frecuencias se encuentren dentro de la banda de paso del filtro, eliminando o atenuando mucho el resto de frecuencias. El filtro deja pasar la frecuencia de resonancia, que sería la frecuencia de corte (fc) y los componentes de frecuencias próximas a la frecuencia de corte. En este filtro existen dos frecuencias de corte, una inferior (f1) y otra superior (f2). Este filtro solo atenúa las señales cuya frecuencia sea menor que la frecuencia de corte inferior o aquellas de frecuencia superior a la frecuencia de corte superior, por tanto, solo permiten el paso de un rango o banda de frecuencias sin atenuar. Fig. 21. Gráfica de un filtro paso banda real. La banda de paso es la comprendida entre f1 y f2. Como aplicaciones de este tipo de filtros podemos citar los ecualizadores de audio, que actúan como selectores de las distintas bandas de frecuencia de la señal de sonido; la eliminación de ruidos que aparecen junto a una señal, siempre que la frecuencia de ésta sea fija o conocida, etc. Un ecualizador de audio es un aparato que sirve para atenuar o resaltar ciertas frecuencias de una señal de sonido, de tal forma que podamos acomodar a nuestro gusto la música que queremos escuchar. El aspecto de un ecualizador es como este:
- 15. Estudio de un filtro paso banda En un ecualizador de audio tenemos un filtro paso banda que deja pasar señales de frecuencia de en torno a 5 kHz. Comprueba que el resto de las frecuencias son realmente rechazadas por el filtro. Solución: Vamos a realizar una simulación por ordenador del circuito del filtro, y vamos a comprobar qué es lo que ocurre cuando a la entrada introducimos tres señales senoidales de 10 Hz, 5 kHz y 5 MHz, respectivamente. El esquema que vamos a utilizar es el siguiente (Fig. 22): Fig. 22. Vamos a ver las señales obtenidas para cada uno de los 3 casos: Caso 1: Fig. 23.
- 16. Caso 2: Fig. 24. Caso 3: Fig. 25. El parámetro fundamental del filtro paso banda es el ancho de banda. Se define como el intervalo de frecuencias del filtro paso banda, es decir, la diferencia entre la frecuencia de corte superior y la frecuencia de corte inferior. La fórmula para calcularlo es: B = f2 - f1 (se mide en hercios) Otra posible utilización de un filtro paso alto es la de la eliminación de ruidos de baja frecuencia, ya que el filtro solo nos va a dejar pasar señales que estén por encima de su frecuencia de corte.